Additive Metallisierung von im Spritzguss hergestellten Keramiken mittels Plasma-Coating-Technologie
Am 31.05.2017 wurde das AiF-IGF-Vorhaben „Ceramic Injection Molding and Additive Metallization“ (Kurztitel: CIMAMET) abgeschlossen. Das AiF-IGF-Vorhaben 18551 N der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Bearbeitung des Projektes erfolgte am Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) und dem Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.
Motivation und Zielsetzung
Die MID-Technologie bietet durch die Verschmelzung von Gehäuse und Elektronik die Möglichkeit, hochintegrierte elektronische Schaltungen zu fertigen und gleichzeitig die Prozesszykluszeit zu minimieren. Die herkömmlich im Spritzguss verwendeten MID-Werkstoffe haben jedoch Einschränkungen bezüglich der thermischen und chemischen Beständigkeit. Zur Ausdehnung des MID-Applikationsfeldes werden keramische Materialien als Schaltungsträger-Werkstoff identifiziert, da diese viele positive Eigenschaften bieten. Aufgrund des Vorzugs großserientaugliche Keramikbauteile mit hoher Komplexität zu fertigen, erfolgt die Herstellung der dreidimensionalen Schaltungsträger im Spritzgussprozess. Weiterhin wird eine innovative Fertigungstechnologie eingesetzt, die es erlaubt, innerhalb eines Prozessschrittes eine elektrisch leitende Schicht auf einem dreidimensionalen Schaltungsträger aufzutragen. Die Dauergebrauchseigenschaften des Keramikschaltungsträgers werden in verschiedenen Umwelttests untersucht und analysiert. Eine elektrische Schaltung auf einem dreidimensionalen Keramikschaltungsträger zeigt das Potential der Kombination des Keramikspritzgusses in Verbindung mit der additiven Plasmabeschichtung.
Untersuchungen und Ergebnisse
Als Substratmaterial wird Aluminiumoxid verwendet, welches mittels Keramikspritzguss verarbeitet wird. Dabei wird in einem ersten Prozessschritt das Aluminiumoxidpulver mit einem Binder vermischt, um die darauffolgende Formgebung des entstandenen Feedstocks im Spritzguss zu ermöglichen. Aus dem hergestellten Grünling wird anschließend in einem weiteren Schritt der Binder wieder entfernt. Abschließend wird der poröse Braunling bei Temperaturen um 1600 °C zum keramischen Fertigteil gesintert (Abbildung 1, links). Bei dem verwendeten Plasma-Coating-Verfahren wird ein kaltaktives Atmosphärendruck-Plasma eingesetzt, das verschiedene Beschichtungsmaterialien auf einer Vielzahl von Substraten abscheiden kann. Indem zwischen Anode und Kathode eine Hochfrequenzspannung angelegt wird, kommt es zu einer gepulsten Bogenentladung zwischen den beiden Elektroden, die das eingesetzte Prozessgas ionisiert und somit das Atmosphärendruck-Plasma erzeugt. Das pulverförmige Beschichtungsmaterial wird in einer Pulverkartusche bereitgestellt. Mittels Trägergas gelangen die Pulverpartikel beidseitig zur Düse in den Plasmastrahl, nehmen dort die Energie des Plasmas auf und werden auf- beziehungsweise angeschmolzen. Durch die kinetische Energie des Gases werden die Partikel beschleunigt und auf das Substrat geschleudert (Abbildung 1, rechts).
Die Oberflächenrauheit der Keramiken wird zur Haftungsverbesserung zwischen Grundsubstrat und Beschichtung mittels Laservorbehandlung und Sandstrahlen erhöht und homogenisiert. Zur Untersuchung der Haftfestigkeit und des elektrischen Widerstandes der additiv metallisierten Keramiken werden zwei unterschiedliche Kupferstrukturen erzeugt (Abbildung 2, links). Zum Schutz vor Umwelteinflüssen werden die Kupferstrukturen mit einer Zinnschicht passiviert, welche ebenfalls im Plasmabeschichtungsprozess aufgetragen wird. Mit dem verwendeten Parametersatz werden Kupferschichthöhen von ca. 120 µm erreicht, welche sich durch die Zinnpassivierung um ca. 60 µm erhöhen. Zur Generierung einer elektrischen Schaltung werden sowohl Lotverbindungen, als auch Klebeverbindung für die Aufbau- und Verbindungstechnik verwendet (Abbildung 2, rechts).
Zur Untersuchung der Langzeitzuverlässigkeit werden die Proben unterschiedlichen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Neben einer Temperaturwechselprüfung, der Untersuchung des Einflusses in feuchter und warmer Umgebung, erfolgt ein Salzsprühnebeltest.
Während nach der Temperaturwechselprüfung an den passivierten und leitgeklebten Leiterbahnen nur eine moderate Zunahme des elektrischen Widerstands erkennbar ist, entspricht der resultierte elektrische Widerstand an den Proben nach der feuchten Wärme ein Vielfaches des Ausgangswertes. Verglichen mit der Entwicklung des elektrischen Widerstands an passivierten und leitgeklebten Leiterbahnen wirken sich die Umwelttests an den unpassvierten und gelöteten Leiterbahnen nur geringfügig aus. Die mittleren Widerstandswerte erhöhen sich durch die Umwelttests um maximal 9 %. Die Ursache für die enorm hohen elektrischen Widerstände an verzinnten Kupferleiterbahnen der feuchten Wärme und des Salzsprühnebels wird in einer porösen Oberfläche der Zinnschicht gesehen. Diese begünstigt das Eindringen von Feuchtigkeit (feuchte Wärmeprüfung) und Natriumchlorid (Salzsprühnebeltest) und führt letztlich zu einer signifikanten Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit durch starke Korrosion. Die nur geringfügig höheren Widerstandswerte nach der Temperaturwechselprüfung an passivierten Kupferleiterbahnen bestätigen diese These.
Es zeigt sich, dass die abgeschiedenen Metallstrukturen auf sandgestrahlten Keramiken über alle Materialien und Umwelttests die höchsten Haftfestigkeiten haben, obgleich die resultierenden Rauheitswerte der Sandstrahlung die niedrigsten sind. Die Laservorstrukturierung wiederum, die im Durchschnitt die höchste Oberflächenrauheit besitzt, führt bei den Kupfer- und Zinnquadraten zu Scherfestigkeitswerten, die hinter denen der sandgestrahlten Proben zurückbleiben. Quadrate auf unbehandelten Keramiken weisen die geringsten Haftfestigkeiten auf. Zu erwähnen ist auch, dass reine Kupferquadrate zumeist eine höhere Scherfestigkeit bezogen zur Querschnittsfläche besitzen, als verzinnte Cu-Quadrate. Abgesehen von den CuSn-Quadraten auf unbehandelter Keramik führt der Salznebeltest über alle Quadrat- und Oberflächenarten zu den niedrigsten Haftfestigkeiten. Für die Kupferquadrate zeigt die Temperaturwechselprüfung den geringsten Einfluss auf die Scherfestigkeiten. Auf laserstrukturierten Bereichen resultieren nach dem Temperaturwechsel sowohl für Cu-, als auch für CuSn-Quadrate höhere Haftfestigkeiten. Bei den CuSn-Strukturen auf unbehandelten Keramiken kommen die Haftfestigkeiten der feuchten Wärme denen vor den Umwelttests am nächsten, bei sandgestrahlten und laserstrukturierten Keramiken resultieren nach der feuchten Wärme leicht höhere Haftfestigkeitswerte als vorher.
Anwendungsmöglichkeiten in der Elektromobilität
Ein mögliches Einsatzfeld von chemisch beständigen Keramiken findet sich in Lithium-Ionen-Batterien. Um Gefahren wie Explosionen zu vermeiden, muss die Betriebstemperatur der Batterien permanent überwacht werden. Dafür eignen sich Batterietemperatursensoren direkt in der Batterieflüssigkeit. Weiterhin können zur Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen in der kalten Jahreszeit additiv metallisierte Keramiken als Batterieheizung direkt in der Batterieflüssigkeit angewendet werden. Hierfür ist es notwendig, dass die additiv metallisierten Keramiken den chemischen Einflüssen standhalten. Die Tests in Lithiumhexafluorophosphat-Lösung (LiPF6) zeigen hinsichtlich Haftung und Widerstand keine signifikante Beeinträchtigung der Keramik sowie der Kupferschicht, sofern diese mit einem geeigneten Lacksystem überzogen werden.
Potentielle Anwendungsmöglichkeiten der additiv metallisierten Keramiken zur Ausdehnung des MID-Applikationsfeldes finden sich vor allem im Automobilbereich. Der hochwärmebeständige Werkstoff Keramik eignet sich u. a. als Schaltungsträger für LED-Applikationen, da die entstehende Wärme mit entsprechenden Kühlkanälen abgeführt werden kann. In Abbildung 3 dargestellt ist ein elektronisch funktionalisierter Keramikschaltungsträger. Das Leiterbahnlayout wurde mittels Plasmabeschichtungsprozess aufgebracht. Neben einer Batteriehalterung und einem Widerstand wurden LEDs an den Flanken mittels Zinn-Silber-Lot dauerhaft angebracht.
Kontakt
Thomas Braun, Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS), Fürther Str. 246b, D-90429 Nürnberg, Telefon: +49(0)911 5302-96252, Thomas.Braun@faps.fau.de, www.faps.fau.de
Sandra Greiner, Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT), Am Weichselgarten 9, 91058 Erlangen-, Telefon: +49(0)9131 85-29717, Greiner@lkt.uni-erlangen.de, www.lkt.uni-erlangen.de
